控制系统设计与仿真1

1、控制系统设计与仿真控制系统设计与仿真 第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 MATLAB程序设计基础程序设计基础 第三章第三章 连续系统数字仿真连续系统数字仿真 第四章第四章 控制系统辅助设计控制系统辅助设计 参考书：参考书： 系统仿真分析与设计系统仿真分析与设计，黄文梅，黄文梅， 国防科技大学出版社，国防科技大学出版社，2001年年 MATLAB入门丛书入门丛书参考书目参考书目数值方法数值方法（高数、数（高数、数值计算方法）值计算方法）系统工程系统工程（建模技术）（建模技术）控制理论控制理论（传递函数、（传递函数、状态方程、方框图）状态方程、方框图）计算机技术计算机技术（编程）（编程） 仿真

2、技术是近几十年发展起来的一门综合性、新技术学科仿真技术是近几十年发展起来的一门综合性、新技术学科, ,它为对系统进行研究、分析、设计、决策等提供了先进的手段。它为对系统进行研究、分析、设计、决策等提供了先进的手段。 在科学研究及生产实践中，由于受到客观条件（如经济、在科学研究及生产实践中，由于受到客观条件（如经济、安全、时间等）的限制，常常不能对所研究的对象直接进行试安全、时间等）的限制，常常不能对所研究的对象直接进行试验。在这种情况下，可以采用间接试验的方法，即验。在这种情况下，可以采用间接试验的方法，即建立一个与建立一个与所研究系统相似的模型，通过模型间接地研究原系统所研究系统相似的模型，

3、通过模型间接地研究原系统。这种间。这种间接试验技术就是仿真技术。接试验技术就是仿真技术。比如，工程界：比如，工程界： 生物、医学界：生物、医学界： 军事界：军事界：前前 言言追击敌机问题追击敌机问题 已知：敌机在已知：敌机在100KM100KM高空，以高空，以20KM/min20KM/min的速度匀速直线行驶。的速度匀速直线行驶。 假设：（假设：（1 1）只要两机相距在）只要两机相距在1010公里之内，我机就可以摧毁敌机；公里之内，我机就可以摧毁敌机； （2 2）如果）如果1010分钟之内没有捕捉到，就认为失败。分钟之内没有捕捉到，就认为失败。 问：我方飞机应以怎样的速度，沿着什么航线飞行，需

4、要多长时问：我方飞机应以怎样的速度，沿着什么航线飞行，需要多长时间可捕捉到目标。比如我机以间可捕捉到目标。比如我机以30KM/min30KM/min的速度，每的速度，每1 1分钟改变一次方分钟改变一次方向，能不能捕捉到？我机以向，能不能捕捉到？我机以40KM/min40KM/min的速度，每的速度，每2 2分钟改变一次方向，分钟改变一次方向，能不能捕捉到？能不能捕捉到？ MATLAB程序vd=20;vw=30;time=1; % % 我机以我机以30KM/min的速度的速度,每每1分钟改变一次方向分钟改变一次方向i=1;ts=0;xw=0;yw=0;t(1)=0;W(1,:)=0 0;D(1,

5、:)=0 100;xd=0;while 1 i=i+1; theta=atan(100-yw)/(xd-xw); % % 计算我机的方向计算我机的方向 ctheta=cos(theta); stheta=sin(theta); global A A=vw*ctheta vw*stheta; T,Y=ode45(plane,ts,ts+time,xw,yw); % % 计算我机的位置计算我机的位置 n=length(Y); W(i,:)=Y(n,:); t(i)=ts+time; xd=vd*(ts+time); % % 计算敌机的位置计算敌机的位置 D(i,1)=xd; D(i,2)=100;

6、 xw=Y(n,1); yw=Y(n,2); Displace=sqrt(xd-xw)*(xd-xw)+(100-yw)*(100-yw); % % 计算两者距离计算两者距离 if Displace10 disp(fail); break endendfigure(1)plot(W(:,1),W(:,2),g+,W(:,1),W(:,2),r,D(:,1),D(:,2),bo);我机以我机以30KM/min30KM/min的速度的速度, ,每每1 1分钟改变一次方向分钟改变一次方向,6,6分钟可捕捉到敌机分钟可捕捉到敌机我机以我机以40KM/min40KM/min的速度的速度, ,每每2 2分

7、钟改变一次方向分钟改变一次方向, ,不能捕捉到敌机不能捕捉到敌机我机以我机以40KM/min40KM/min的速度的速度, ,每每1.31.3分钟改变一次方向分钟改变一次方向, , 能捕捉到敌机能捕捉到敌机 第一章第一章 绪论绪论 1-1 1-1 系统、模型与仿真系统、模型与仿真 一、系统（一、系统（SystemSystem） 二、模型（二、模型（ModelModel） 三、仿真（三、仿真（SimulationSimulation） 1-2 1-2 计算机仿真计算机仿真 一、计算机仿真的过程、步骤一、计算机仿真的过程、步骤 二、计算机仿真的分类二、计算机仿真的分类 三、计算机仿真的意义三、计算

8、机仿真的意义 四、系统仿真的应用及发展四、系统仿真的应用及发展 五、仿真软件五、仿真软件 1-3 1-3 控制系统计算机仿真控制系统计算机仿真1-11-1系统、模型与仿真系统、模型与仿真 一、系统（一、系统（SystemSystem） 1 1定义定义 所谓所谓“系统系统”是指相互联系又相互作用着的对象的有机组是指相互联系又相互作用着的对象的有机组合。该组合体可以完成某项任务或实现某个预定的目标。合。该组合体可以完成某项任务或实现某个预定的目标。特点：特点：1 1）整体性整体性：系统由许多要素组成，各个组成部分是不可分割的。：系统由许多要素组成，各个组成部分是不可分割的。2 2）相关性相关性：系

9、统内部各要素之间相互以一定规律联系着。：系统内部各要素之间相互以一定规律联系着。3 3）层次性层次性：系统可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层：系统可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层次结构。次结构。4 4）目的性目的性：系统具有某种目的，要达到既定的目的，系统必须：系统具有某种目的，要达到既定的目的，系统必须具有一定的功能（如控制、调节和管理的功能）。具有一定的功能（如控制、调节和管理的功能）。 2 2分类分类 通常，根据系统的物理特征，可将系统分为两大类：通常，根据系统的物理特征，可将系统分为两大类： 例如，下图所示的加热炉温度调节系统就是一个工程系统。例如，下图所示的加热炉温度调

10、节系统就是一个工程系统。系统系统工程系统工程系统（如：电气、机械、机电、化工、热力等）（如：电气、机械、机电、化工、热力等）非工程系统非工程系统（如：经济、交通、管理、生态等）（如：经济、交通、管理、生态等）比较器比较器调节器调节器加热炉加热炉温度计温度计温度温度扰动扰动温度给定值温度给定值温度偏差温度偏差喷油量喷油量 下图所示的工厂系统则是一个经济管理系统下图所示的工厂系统则是一个经济管理系统非工程系统。非工程系统。 3 3构成系统的三大要素：实体、属性、活动构成系统的三大要素：实体、属性、活动生产管理部门生产管理部门采购部门采购部门制造车间制造车间装配车间装配车间运输车间运输车间原料原料成

11、品成品用户订单用户订单实体实体组成系统的具体对象。组成系统的具体对象。属性属性实体的特性。实体的特性。活动活动对象随对象随 时间推移而发生的状态变化。时间推移而发生的状态变化。二、模型（二、模型（ModelModel） 1 1定义定义 所谓所谓“模型模型”就是对系统的一种客观描述，它通常是真实就是对系统的一种客观描述，它通常是真实系统的一种简化。系统的一种简化。 2 2模型的作用模型的作用 系统实验研究的两种方式：直接在真实系统上进行（通常系统实验研究的两种方式：直接在真实系统上进行（通常都不采用，因为都不采用，因为）在模型上进行（在模型上做实验是对系统进）在模型上进行（在模型上做实验是对系统

12、进行分析、研究的十分有效的手段。）行分析、研究的十分有效的手段。） 3 3模型的分类模型的分类模型模型物理模型物理模型：是根据相似原理把实际系统加以缩小或：是根据相似原理把实际系统加以缩小或放大的复制品。放大的复制品。数学模型数学模型：是用数学的形式对一个系统的（行为、：是用数学的形式对一个系统的（行为、特征）的描述，保持了模型与原型之间信息传递规特征）的描述，保持了模型与原型之间信息传递规律的相似。律的相似。三、仿真（三、仿真（Simulation） 1 1仿真的定义仿真的定义 从广义上来说，为了对系统进行分析研究，首先建立系从广义上来说，为了对系统进行分析研究，首先建立系统的模型，然后在模

13、型上进行试验这一过程就称为统的模型，然后在模型上进行试验这一过程就称为“仿真仿真”。 2. 2. 根据模型的种类不同，系统仿真可以分成三种：根据模型的种类不同，系统仿真可以分成三种： 物理仿真物理仿真：建立物理模型，并在物理模型上进行试验：建立物理模型，并在物理模型上进行试验 优点：直观、形象优点：直观、形象 缺点：发费大、周期长、结构难于缺点：发费大、周期长、结构难于变更变更 数学仿真数学仿真：简而言之，就是：简而言之，就是在计算机上对系统的数学模在计算机上对系统的数学模型进行试验型进行试验，故又称为，故又称为“计算机仿真计算机仿真”。（具体过程、步骤在。（具体过程、步骤在后面讲解）后面讲解

14、） 优点：经济、方便、灵活性大优点：经济、方便、灵活性大 混合仿真混合仿真：将数学模型及物理模型或实物联合在一起进：将数学模型及物理模型或实物联合在一起进行试验。行试验。 综上所述，系统、模型与仿真之间有着十分密切的关系。综上所述，系统、模型与仿真之间有着十分密切的关系。 仿真仿真是研究系统的一种试验方法，它包含两个过程：是研究系统的一种试验方法，它包含两个过程：建立模型及对模型进行试验。建立模型及对模型进行试验。模型模型对系统的描述；对系统的描述；系统系统被研究的对象；被研究的对象；1-2 1-2 计算机仿真计算机仿真 一、计算机仿真的过程、步骤一、计算机仿真的过程、步骤 计算机仿真的整个过

15、程可用下图的流程图说明。计算机仿真的整个过程可用下图的流程图说明。是程序问是程序问题吗？题吗？系统系统系统模型建立系统模型建立仿真模型建立仿真模型建立仿真程序设计仿真程序设计仿真试验仿真试验数据处理、分析数据处理、分析满足要求否？满足要求否？是仿真模是仿真模型问题吗？型问题吗？修改程序修改程序修改仿真模型修改仿真模型修改系统模型修改系统模型N NN NN NY YY YY Y图图2 21 1 计算机仿真过程流程图计算机仿真过程流程图明确系统，确定需要仿真明确系统，确定需要仿真的问题的问题。建立数学模型（即一次简化建立数学模型（即一次简化模型），比如微分方程组模型），比如微分方程组设计一种算法，

16、使数学模型设计一种算法，使数学模型能为计算机接受，并能在计能为计算机接受，并能在计算机上运行（即建立二次简算机上运行（即建立二次简化模型化模型)用算法语言加以描述，即编用算法语言加以描述，即编写程序。写程序。BASIC, FORTRAN, C, MATLAB)运行仿真程序，在不同的初运行仿真程序，在不同的初始条件和参数下，对系统进始条件和参数下，对系统进行反复地研究和分析行反复地研究和分析总结得到系统的性能评价总结得到系统的性能评价验证仿真结果与实际系统是验证仿真结果与实际系统是否一致否一致 系统系统模型模型计算机计算机模型模型建立建立仿真仿真试验试验 仿真模型建立仿真模型建立图图2 22 2

17、 系统、模型与计算机的关系系统、模型与计算机的关系 计算机仿真包括三个要素，即计算机仿真包括三个要素，即系统系统、模型模型与与计算机计算机； 联系这三个要素的有三个基本活动：联系这三个要素的有三个基本活动：模型建立模型建立、仿真模型仿真模型建立建立及及仿真试验仿真试验。 图图2 22 2表示了三要素及三个基本活动之间的关系。表示了三要素及三个基本活动之间的关系。二、计算机仿真的分类二、计算机仿真的分类 1 1根据被研究系统的特征可以分为两大类：根据被研究系统的特征可以分为两大类： 连续系统仿真连续系统仿真数学模型能用一组数学方程式来数学模型能用一组数学方程式来描述描述 离散事件系统仿真离散事件

18、系统仿真数学模型一般很难用数学方数学模型一般很难用数学方程来描述，通常是用流程图或网络图来描述。程来描述，通常是用流程图或网络图来描述。 二、计算机仿真的分类二、计算机仿真的分类 2 2根据所用计算机的类型可以分为如下三类：根据所用计算机的类型可以分为如下三类： 模拟计算机仿真模拟计算机仿真基于数学模型相似原理，仿真主要工基于数学模型相似原理，仿真主要工具是模拟计算机具是模拟计算机, ,其核心的运算部分由我们熟知的其核心的运算部分由我们熟知的“模拟运算放模拟运算放大器大器”为主要部件所构成。为主要部件所构成。 特点：运算速度快（并行计算），但计算精度较低（一般特点：运算速度快（并行计算），但计

19、算精度较低（一般为千分之几），而且自动化程度低（如：有时需操作员去接为千分之几），而且自动化程度低（如：有时需操作员去接线）。线）。 数字计算机仿真数字计算机仿真基于数值计算原理，仿真主要工具是基于数值计算原理，仿真主要工具是数字计算机。数字计算机。 特点：计算精度高（一般小型机也可达到特点：计算精度高（一般小型机也可达到6 67 7位有效数位有效数字），但运算速度较慢（串行运算）。字），但运算速度较慢（串行运算）。 模拟模拟数字仿真数字仿真将模拟仿真与数字仿真相结合的一种将模拟仿真与数字仿真相结合的一种方法。方法。 特点：兼有两者的优点，可用于实时仿真，但价格昂贵。特点：兼有两者的优点，可用

20、于实时仿真，但价格昂贵。三、应用仿真技术的意义三、应用仿真技术的意义 经济经济 安全安全经济性考虑是采用仿真技术的十分重要的原因经济性考虑是采用仿真技术的十分重要的原因。对一个大。对一个大型系统进行研究，采用物理模型或直接在实物上试验，成型系统进行研究，采用物理模型或直接在实物上试验，成本十分昂贵。以空间技术为例，单次飞行的成本约为本十分昂贵。以空间技术为例，单次飞行的成本约为10104 410108 8美元，采用数字计算机仿真的方法，仅需实际飞美元，采用数字计算机仿真的方法，仅需实际飞行成本的行成本的1/101/5 ，而且设备可以重复使用。可以说，而且设备可以重复使用。可以说，几乎所有的大型

21、发展项目，都十分重视仿真技术的应用，几乎所有的大型发展项目，都十分重视仿真技术的应用，这是因为这些项目投资很大，有相当的风险，而仿真技术这是因为这些项目投资很大，有相当的风险，而仿真技术的应用可以减小风险。的应用可以减小风险。对于某些系统，如载人宇宙飞行器、核电站等，直接试对于某些系统，如载人宇宙飞行器、核电站等，直接试验往往是危险和不允许的，因此必须在模型上进行试验。验往往是危险和不允许的，因此必须在模型上进行试验。安全性考虑一直是采用仿真技术的最主要原因安全性考虑一直是采用仿真技术的最主要原因。所以，。所以，航空、航天、武器系统曾经是仿真技术应用的最主要领航空、航天、武器系统曾经是仿真技术

22、应用的最主要领域，一直到现在仍然占有很大的比重。域，一直到现在仍然占有很大的比重。三、应用仿真技术的意义三、应用仿真技术的意义 预测性预测性 在非工程系统中（如社会、管理、经济等系统），由在非工程系统中（如社会、管理、经济等系统），由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可能。利于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可能。利用仿真则可预测系统的特性和外作用的影响，从而研用仿真则可预测系统的特性和外作用的影响，从而研究控制的策略，可以获得对系统的某种超前认识。究控制的策略，可以获得对系统的某种超前认识。 快捷快捷提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。

23、四、四、系统仿真的应用及发展系统仿真的应用及发展 用于系统分析和设计用于系统分析和设计v 在一个新的系统未建立之前，运用系统仿真技术可以论证在一个新的系统未建立之前，运用系统仿真技术可以论证系统及其可行性，为准确地进行系统设计打下坚实的基础；系统及其可行性，为准确地进行系统设计打下坚实的基础；v 在系统设计过程中，利用仿真技术可以帮助设计人员实现在系统设计过程中，利用仿真技术可以帮助设计人员实现系统的最优化设计；系统的最优化设计；v 系统建成后，利用仿真技术可以分析系统工作的状况，选系统建成后，利用仿真技术可以分析系统工作的状况，选择最佳运行参数和策略。择最佳运行参数和策略。四、四、系统仿真的

24、应用及发展系统仿真的应用及发展 在社会、经济、人口、生态等非工程系统中，用于系在社会、经济、人口、生态等非工程系统中，用于系统的政策与策略研究统的政策与策略研究 近年来，已采用控制论的观点去研究社会、经济、生态环近年来，已采用控制论的观点去研究社会、经济、生态环境等复杂系统和大系统。研究的方法是：首先建立数学模型，境等复杂系统和大系统。研究的方法是：首先建立数学模型，然后利用仿真软件在数字计算机上进行反复计算、试验、分析然后利用仿真软件在数字计算机上进行反复计算、试验、分析和比较，以求得该系统的最佳运行机制以及切实可行的策略。和比较，以求得该系统的最佳运行机制以及切实可行的策略。 用于人员训练

25、用于人员训练 如：飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器；电站操作人如：飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器；电站操作人员培训模拟系统；核电站仿真器用来训练操作人员以及研究员培训模拟系统；核电站仿真器用来训练操作人员以及研究异常故障的排除处理异常故障的排除处理5050年代以前：物理仿真年代以前：物理仿真5050年代：主要是模拟计算机仿真，数字计算机仿真刚刚开年代：主要是模拟计算机仿真，数字计算机仿真刚刚开 始发展始发展60607070年代：数字计算机仿真与模拟年代：数字计算机仿真与模拟数字仿真都得到迅数字仿真都得到迅 速发展速发展8080年代以来：数字仿真技术得到普及年代以来：数字仿真技术得到普及未

26、来的发展趋势：改善建模环境；未来的发展趋势：改善建模环境； 开发仿真数据库；开发仿真数据库； 在仿真中应用动画图形技术；在仿真中应用动画图形技术； 研制专家系统；研制专家系统； 五、数字五、数字仿真软件的发展仿真软件的发展 自自19551955年第一个仿真软件问世以来，按照新事物出现的时间顺年第一个仿真软件问世以来，按照新事物出现的时间顺序，发展分为四个阶段：序，发展分为四个阶段： 1 1） 程序编制阶段；程序编制阶段； 采用计算机高级语言（如采用计算机高级语言（如FORTRANFORTRAN、BASICBASIC、C C等），即使是一个很简单等），即使是一个很简单的系统，程序也会很长，难于调

27、试。的系统，程序也会很长，难于调试。 2 2） 程序软件包阶段；程序软件包阶段； 出现了出现了“应用子程序库应用子程序库”，将仿真程序中常用的程序段落编成子程序或，将仿真程序中常用的程序段落编成子程序或过程，用于系统仿真的各种不同问题中。过程，用于系统仿真的各种不同问题中。 3 3） 专用计算机仿真语言阶段；专用计算机仿真语言阶段； 将一大类仿真问题，编写一个通用的主程序，用户只需将必要的参数填将一大类仿真问题，编写一个通用的主程序，用户只需将必要的参数填进去，经执行就能得到所需结果。（如连续系统仿真语言进去，经执行就能得到所需结果。（如连续系统仿真语言CSSLCSSL、离散事件系、离散事件系

28、统仿真语言统仿真语言GPSSGPSS） 4 4） 模块化图形组态阶段；模块化图形组态阶段； 如：机械系统动力学仿真分析软件如：机械系统动力学仿真分析软件ADAMSADAMS, ,控制系统计算机辅助设计软件控制系统计算机辅助设计软件MATLABMATLABADAMS1-3 1-3 控制系统计算机仿真控制系统计算机仿真 一、控制系统的计算机辅助设计一、控制系统的计算机辅助设计 （CSCAD-Control System Computer Aided DesignCSCAD-Control System Computer Aided Design） n早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计早期的

29、控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计算出来，如算出来，如 Ziegler 与与 Nichols 于于1942年提出的年提出的 PID 经验公式就可以十分容易地设计出来。经验公式就可以十分容易地设计出来。n随着控制理论的迅速发展，光利用纸笔以及计算随着控制理论的迅速发展，光利用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之器等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之在计算机领域取得了迅速的发展，于是很自然地在计算机领域取得了迅速的发展，于是很自然地出现了控制系统的计算机辅助设计出现了控制系统的计算机辅助设计 方法。方法。 控制系统控制系统CADCAD技术是对复杂控制系统进行分析和技术是对复

30、杂控制系统进行分析和设计的重要方法和手段。在进行控制系统的分析与综设计的重要方法和手段。在进行控制系统的分析与综合的过程中，除了要进行理论分析外，还要对系统的合的过程中，除了要进行理论分析外，还要对系统的特性进行实验研究，研究系统的固有的动态特性，验特性进行实验研究，研究系统的固有的动态特性，验算设计的控制器能否达到预期的性能指标，这个过程算设计的控制器能否达到预期的性能指标，这个过程是是设计实验修改设计再实验设计实验修改设计再实验的过程。的过程。 控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到了相当高的水平，并一直受到控制界的普遍重视。了相当高的水平

31、，并一直受到控制界的普遍重视。早在早在19821982年年12 12 月和月和1984 1984 年年12 12 月，控制系统领域在国际月，控制系统领域在国际上最权威的上最权威的IEEEIEEE控制系统学会的控制系统杂志控制系统学会的控制系统杂志(Control (Control Systems Magazine)Systems Magazine)和和IEEEIEEE学会的科研报告集学会的科研报告集(Proceedings of IEEE)(Proceedings of IEEE)分别第一次出版了关于控制系统分别第一次出版了关于控制系统CADCAD的专刊的专刊近三十年来，随着计算机技术的飞速发

32、展，各类控制系近三十年来，随着计算机技术的飞速发展，各类控制系统统CAD CAD 软件频繁出现且种类繁多，软件频繁出现且种类繁多，MATLAB MATLAB 语言出现以来，语言出现以来，就深受控制领域学生和研究者的欢迎，已经成为控制界就深受控制领域学生和研究者的欢迎，已经成为控制界最流行、最有影响的通用计算机语言，成为控制界学者最流行、最有影响的通用计算机语言，成为控制界学者的首选。的首选。 二、控制系统计算机仿真二、控制系统计算机仿真 所谓控制系统的计算机仿真就是所谓控制系统的计算机仿真就是以控制系统的数学以控制系统的数学模型为基础，借助计算机对控制系统的动态特性进行实模型为基础，借助计算机

33、对控制系统的动态特性进行实验研究验研究。 控制系统的计算机仿真是控制系统的计算机辅助设计控制系统的计算机仿真是控制系统的计算机辅助设计的一个部分。这一过程包括：的一个部分。这一过程包括：建立数学模型；建立数学模型；根据性能指标和控制算法编程求解控制器参数；根据性能指标和控制算法编程求解控制器参数；对系统校正前后进行仿真，并验证控制器的实际控制对系统校正前后进行仿真，并验证控制器的实际控制效果；效果；修改控制器参数或结构，直到仿真结果满足设计要求修改控制器参数或结构，直到仿真结果满足设计要求 MATLAB MATLAB 作为主要程序设计语言来介绍控制系统作为主要程序设计语言来介绍控制系统计算机辅

34、助设计的算法，可以使研究者将主要精计算机辅助设计的算法，可以使研究者将主要精力集中在控制系统理论和方法上，而不是将主要力集中在控制系统理论和方法上，而不是将主要精力花费在没有太大价值的底层重复性机械性劳精力花费在没有太大价值的底层重复性机械性劳动上，这样可以对控制系统计算机辅助设计技术动上，这样可以对控制系统计算机辅助设计技术有较好的整体了解，避免有较好的整体了解，避免“只见树木，不见森林只见树木，不见森林”的认识偏差，提高控制器设计的效率和可靠性。的认识偏差，提高控制器设计的效率和可靠性。子曰子曰: :“工欲善其事，必先利其器工欲善其事，必先利其器”。跟踪国际最。跟踪国际最先进的先进的 控制

35、系统控制系统CADCAD软件环境及发展，以当前国软件环境及发展，以当前国际上最流行的控制系统际上最流行的控制系统CADCAD软件环境软件环境MATLABMATLAB为基为基本出发点来系统地介绍控制系统计算机辅助设计本出发点来系统地介绍控制系统计算机辅助设计技术及软件实现，从而大大提高控制系统技术及软件实现，从而大大提高控制系统CADCAD算算法研究与实际应用的效率和可靠性，这是本课程法研究与实际应用的效率和可靠性，这是本课程的一个主要目的。的一个主要目的。小结：小结：1系统、模型与仿真系统、模型与仿真2仿真、计算机仿真（数学仿真）、数字计算机仿真、计算机仿真（数学仿真）、数字计算机仿真仿真3仿

36、真、实际系统、解析法三者的比较仿真、实际系统、解析法三者的比较下表列出了利用下表列出了利用实际系统实际系统或利用或利用解析方法解析方法和利用和利用仿真技术仿真技术的比较的比较仿真技术仿真技术实际系统实际系统解析方法解析方法可能性可能性只要能建立系统模只要能建立系统模型就能进行型就能进行系统尚未建立，则不可能；系统尚未建立，则不可能；有的自然系统实验周期太有的自然系统实验周期太长，也不可能长，也不可能有的系统无法建有的系统无法建立解析模型，因立解析模型，因此不可能利用解此不可能利用解析方法析方法安全性安全性无危险无危险有危险（人身、设备）有危险（人身、设备）无危险无危险经济性经济性花费不多花费不

37、多费用很大费用很大花费不多花费不多耗时性耗时性中等中等长长短短准确性准确性可以做到准确可以做到准确十分准确十分准确要做较多假设，要做较多假设，因此有较大误差因此有较大误差方便性方便性可以做到可以做到 十分方便十分方便 受现场限制，很不方便受现场限制，很不方便方便方便 可见，仿真技术在可能性、安全性、准确性、方便性可见，仿真技术在可能性、安全性、准确性、方便性方面具有明显优点，在经济性、耗时性方面不如解析方法。方面具有明显优点，在经济性、耗时性方面不如解析方法。 因此因此: 在可能采用解析法并允许有一定误差时宜采用在可能采用解析法并允许有一定误差时宜采用解析方法解析方法； 在要求十分准确或建模有

38、一定困难时宜采用在要求十分准确或建模有一定困难时宜采用实际系统实际系统； 其他情况应尽量采用其他情况应尽量采用系统仿真技术系统仿真技术。 Virtual RealityVirtual Reality（虚拟现实）（虚拟现实）是人工构造的，存在于是人工构造的，存在于计算机内部的环境。用户应该能够以自然的方式与这个环境计算机内部的环境。用户应该能够以自然的方式与这个环境交互（包括感知环境并干预环境），从而产生置身于相应的交互（包括感知环境并干预环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感，身临其境的感觉。真实环境中的虚幻感，沉浸感，身临其境的感觉。虚拟现实虚拟现实(Virtual Real

39、ity(Virtual Reality，VR)VR)系统包括系统包括人类操作者人类操作者、人机接口人机接口和和计算机计算机。虚拟现实的概念虚拟现实的概念 虚拟现实系统应用最多的专用设备是虚拟现实系统应用最多的专用设备是头盔式立体显示器头盔式立体显示器和和数据手套数据手套。于是，有人以使用这些专用设备为虚拟现实系统的。于是，有人以使用这些专用设备为虚拟现实系统的标志。这种观点是不准确的。上述的虚拟现实的概念，是在计标志。这种观点是不准确的。上述的虚拟现实的概念，是在计算机应用和人机交互方面开创的全新的学科领域。这个新领域算机应用和人机交互方面开创的全新的学科领域。这个新领域的发展，还有很多困难，有很多技术难点有待解决。的发展，还有很多困难，有很多技术难点有待解决。 当前，这一领域还只是走出了第一步。头盔式立体显示器当前，这一领域还只是走出了第一步。头盔式立体显示器和数据手套等设备，只是当前已经实现的一部分虚拟显示设备。和数据手套等设备，只是当前已经实现的一部分虚拟